的侧面上的晶体层（其与源电极或漏电极308a和源电极或漏电极308b接 触)进入非晶状态。由于此原因，第一氧化物半导体层304a和第二氧化物半导体层306a的所 有区域不总是具有晶体结构。
[0252] 接着，形成与部分第二氧化物半导体层306a接触的栅极绝缘层312。可W由CV的去 或瓣射法形成栅极绝缘层312。然后，在与第一氧化物半导体层304a和第二氧化物半导体层 306a重叠的区域中，栅电极314形成于栅极绝缘层312之上。此后，层间绝缘层316和层间绝 缘层318形成于栅极绝缘层312和栅电极314之上(参照图12E)。可类似于W上实施例中 示出的绝缘层138、栅电极148a、层间绝缘层216、层间绝缘层218等的方式形成栅极绝缘层 312、栅电极314、层间绝缘层316、W及层间绝缘层318。对于栅极绝缘层312、栅电极314、层 间绝缘层316、W及层间绝缘层318的细节，可W参照W上实施例。
[0253] 在形成栅极绝缘层312之后，优选在惰性气体气氛或氧气氛下进行第Ξ热处理。在 高于或等于200°C并且低于或等于450°C、优选高于或等于250°C并且低于或等于350°C的溫 度进行第Ξ热处理。例如，在包含氧的气氛下W250°C进行一个小时的热处理。第Ξ热处理 可W减小晶体管的电特性中的变化。在栅极绝缘层312包含氧的情况下，通过向第二氧化物 半导体层306a供应氧来弥补第二氧化物半导体层306a的氧缺乏，还可W形成i型（本征)或 大体上i型的氧化物半导体层。
[0254] 注意尽管在本实施例中，在形成栅极绝缘层312之后进行第Ξ热处理，但是第Ξ热 处理的时机不限于此。另外，在通过其他处理（例如第二热处理）向第二氧化物半导体层供 应氧的情况下，可忽略第Ξ热处理。
[0255] 通过W上步骤，完成晶体管350。晶体管350使用第一氧化物半导体层304a和由从 第一氧化物半导体层304a的晶体化区域的晶体生长而获取的第二氧化物半导体层306a(参 照图1沈）。
[0256] 图12E所图示的晶体管350包含下列：在底部衬底300之上提供的第一氧化物半导 体层304a(在其间插入有绝缘层302);在第一氧化物半导体层304a之上提供的第二氧化物 半导体层306a;电连接到第二氧化物半导体层306a的源电极或漏电极308a和源电极或漏电 极308b;覆盖第二氧化物半导体层306a、源电极或漏电极308a、W及源电极或漏电极308b的 栅极绝缘层312;在栅极绝缘层312之上的栅电极314;在栅极绝缘层312和栅电极314之上的 层间绝缘层316; W及在层间绝缘层316之上的层间绝缘层318。
[0257] 在本实施例所示出的晶体管350中，第一氧化物半导体层304a和第二氧化物半导 体层306a是高度纯化的。因此，第一氧化物半导体层304a和第二氧化物半导体层306a中的 氨浓度小于或等于5 X l〇i9/cm3，优选小于或等于5 X l〇w/cm3，并且更优选地小于或等于5 X 10"/cm3。此外，与典型的娃晶圆的载流子密度(近似lXl〇i4/cm3)比较，氧化物半导体层的 载流子密度充分低(例如，小于lXl〇i2/cm3,优选小于1.45Xl〇w/cm3)。其结果是，可W获取 充分低的截止状态电流。例如，在晶体管的沟道长度为10WI1并且氧化物半导体层的厚度为 30皿的情况下，当漏极电压处于从IV到10V的范围时，截止电流(当栅极-源极电压小于或等 于0V时的漏极电流)小于或等于IX 10-13Α。另外，室溫下的截止电流密度(通过由截止电流 除W晶体管的沟道宽度所获取的值)近似为1 X 10-2*ν皿(ΙΟζΑ/μπι)至Ijl X 1(Τ?9Α/μηι(100ζΑ/ μπι)〇
[0258] 注意除截止电流或截止电流密度W外，可W使用截止电阻（当晶体管关闭时的电 阻值)或截止电阻率(当晶体管关闭时的电阻率)来表示W上晶体管的特性。此处，使用截止 电流和漏极电压，截止电阻R是由欧姆定律获取的值。此外，使用沟道形成区域的截面面积A 和沟道长度L，截止电阻率P是由P=RA/L的公式获取的值。具体地，在W上情况下，截止电阻 率大于或等于1Χ109Ω .m(或大于或等于ΙΧΙΟ^Ω .m)。注意使用氧化物半导体层的厚度 和沟道宽度W，由A=抓的公式表示截面面积A。
[0259] W此方式，通过使用高度纯化的并且本征的第一氧化物半导体层304a和第二氧化 物半导体层306a，可W充分地减小晶体管的截止电流。
[0260] 此外，在本实施例中，具有晶体化区域的第一氧化物半导体层304aW及由从第一 氧化物半导体层304a的晶体化区域的晶体生长获取的第二氧化物半导体层306a用作氧化 物半导体层。从而可W增加场效应迁移率并且可W实现具有良好电特性的晶体管。
[0261] 注意，尽管在本实施例中，使用晶体管350代替W上实施例中示出的晶体管162,但 是本文所公开的发明不需要解释为限制于那种情况。例如，在本实施例中示出的晶体管350 使用具有晶体化区域的第一氧化物半导体层304aW及由从第一氧化物半导体层304a的晶 体化区域的晶体生长而获取的第二氧化物半导体层306a，从而具有高的场效应迁移率。因 此，氧化物半导体可W用于包含集成电路中包含的晶体管的所有晶体管。在运样的情况下， 不必要采用w上实施例中示出的叠层结构。注意为了实现良好电路操作，氧化物半导体的 场效应迁移率μ优选为μ> 1 OOcmVV · S。此外，在此情况下，可W使用例如衬底(例如玻璃衬 底)来形成半导体装置。
[0262]在本实施例中描述的结构、方法等可W合适地与在其他实施例中描述的任何结 构、方法等组合。
[0%3][实施例7] 在本实施例中，描述用于制造半导体装置的方法，其不同于实施例1中描述的用于制造 半导体装置的方法。本实施例的特征是由所谓的镶嵌法(damascene method)形成下部分中 的晶体管的栅电极，并且使用该栅电极的材料形成上部分中的晶体管的源电极、漏电极等。
[0264] 首先，由实施例1中描述的方法获取图4G的状态。状态在图13A中图示。使用CMP法 等抛光层间绝缘层126和层间绝缘层128, W便暴露栅电极110的顶面。然后，由选择性的蚀 刻方法蚀刻栅电极ll〇，W便形成孔部分127(参照图13B)。
[0265] 接着，由完全嵌入孔部分127的沉积法形成包含金属或金属氮化物的导电层。导电 层可为单层或叠层。然后，蚀刻导电层，W便获取电极层(源电极或漏电极142a和源电极或 漏电极14化）（参照图13C)。在此阶段的结构等效于实施例1中描述的图5B的结构。
[0266] 此后，W类似于实施例1的方式，形成岛状氧化物半导体层140、栅极绝缘层146、栅 电极148a、W及电极148b(参照图13D)。注意电极层(源电极或漏电极142a)是下部分中的晶 体管的栅电极并且也是上部分中的晶体管的源电极或漏电极。在本实施例中，可忽略用于 形成到达下部分中的晶体管的栅电极110的接触孔的步骤，其在实施例1中是需要的。在本 实施例中，由于岛状氧化物半导体层140与层间绝缘层128接触，所W在形成岛状氧化物半 导体层140之前，优选充分地使层间绝缘层128的表面脱氨。
[0267] [实施例8] 在本实施例中，参照图14A到14F描述在W上实施例中描述的半导体装置应用于电子器 具的情况。描述了 W上描述的半导体装置应用于运些电子器具的情况，即：例如计算机、移 动电话机(也被称作移动电话或移动电话装置）、个人数字助理(包含便携式游戏机器、音频 再现装置等）、数码相机、数字视频相机、电子纸、电视机(也被称作电视或电视接收器)等。
[0268] 图14A示出笔记本个人计算机，其包含壳体401、壳体402、显示部分403、键盘404 等。在壳体401和壳体402中提供在前述实施例中示出的半导体装置。从而可W实现具有充 分低的功率消耗的笔记本PC，其中可高速进行数据的写入和读出并且可W长时间存储 数据。
[0269] 图14B示出个人数字助理(PDA),其包含配备有显示部分413、外部接口 415、操作按 钮414等的主体411。也提供操作个人数字助理的触针412等。在主体411中提供在前述实施 例中示出的半导体装置。因此，可W实现具有充分低的功率消耗的个人数字助理，其中可W W高速进行数据的写入和读出并且可W长时间存储数据。
[0270] 图14C示出有附加的电子纸的电子书阅读器420,其包含两个壳体421和423。在壳 体421和壳体423中分别提供显示部分425和显示部分427。壳体421和423由较链部分437连 接并且可W用较链部分437打开或折叠。壳体421配备有电源开关431、操作键433、扬声器 435等。至少在壳体421和423的一个中提供在W上实施例中示出的半导体装置。因此，可W 实现充分低的功率消耗的电子书阅读器，其中可高速进行数据的写入和读出并且可W 长时间存储数据。
[0271] 图14D是包含两个壳体440和441的移动电话。此外，在图14D中示出展开的壳体440 和441可W通过滑动而彼此重叠。从而移动电话可W为便携式用途而处于合适的尺寸。壳体 441包含显示面板442、扬声器443、麦克风444、指向装置446、相机透镜447、外部连接端子 448等。壳体440配备有用于使移动电话充电的太阳能电池449、外部存储器槽450等。此外， 在壳体441中并入天线。至少在壳体440和441的一个中提供在W上实施例中示出的半导体 装置。从而可W实现具有充分低的功率消耗的移动电话，其中可高速进行数据的写入 和读出并且可W长时间存储数据。
[0272] 图14E是数码相机，其包含主体461、显示部分467、目镜部分463、操作开关464、显 示部分465、电池466等。在主体461中提供在前述实施例中示出的半导体装置。因此，可W实 现具有充分低的功率消耗的数码相机，其中可高速进行数据的写入和读出并且可W长 时间存储数据。
[0273] 图14F是电视机470,其包含壳体471、显示部分473、架子475等。电视机470可W由 壳体471的操作开关和遥控器480操作。在壳体471和遥控器480中装配在W上实施例中示出 的半导体装置。从而可W实现具有充分低的功率消耗的电视机，其中可高速进行数据 的写入和读出并且可W长时间存储数据。
[0274] 如上所述，在本实施例中示出的电子器具中装配与W上实施例相关的半导体装 置。因此，可W实现充分地减少其功率消耗的电子器具。
[0趴][例子U 检查根据所公开的发明的实施例的半导体装置可W重写数据的次数。在此例子中，参 照图15描述检查结果。
[0276] 用于检查的半导体装置是具有图3A1中的电路配置的半导体装置。此处，在对应于 晶体管162的晶体管中使用氧化物半导体。此外，作为对应于电容器164的电容器，使用具有 0.33pF电容值的电容器。
[0277] 在重复保留和写入数据预定次数之后，通过比较初始存储器窗口宽度和此时存储 器窗口宽度而进行检查。通过施加0V或5V到对应于图3A1中的第Ξ布线的布线并且施加0V 或5V到其对应于图3A1中的第四布线的布线而保持和写入数据。当对应于第四布线的布线 的电位是0V时，对应于晶体管162的晶体管截止;从而保留供应到浮栅部分FG的电位。当对 应于第四布线的布线的电位是5V时，对应于晶体管162的晶体管导通;从而供应对应于第Ξ 布线的布线的电位到浮栅部分FG。
[0278] 存储器窗口宽度是存储器装置的特性的一个指标。此处，存储器窗口宽度表示在 不同的存储器状态之间的曲线(Vcg-Id曲线）中的偏移量AVcg，其示出对应于第五布线的布 线的电位Vcg和对应于晶体管160的晶体管的漏极电流Id之间的关系。不同的存储器状态意 味着施加0V到浮栅部分FG的状态(在下文中被称作低状态)和施加5V到浮栅FG的状态(在下 文中被称作高状态）。即，通过在低状态中和在高状态中扫描电位Vcg可W查验存储器窗口宽 度。
[0279] 图15示出在进行IX 109次写入之后初始存储器窗口宽度和此时的存储器窗口宽 度的检查结果。注意在图15中，水平轴线示出Vcg(V)并且垂直轴线示出Id(A)。从图15可W确 认在进行写入1 X 1〇9次之前和之后的之间，存储器窗口宽度没有改变。从在进行写入1 X 1〇9 次之前和之后的之间存储器窗口宽度没有改变的事实，示出半导体装置至少在写入期间没 有退化。
[0280] 如上所述，甚至当重复保留和写入多次时，根据所公开的发明的实施例的半导体 装置的特性没有改变。即，根据所公开的发明的实施例，可W获取有极高可靠性的半导体装 置。
[0281] 本申请基于在2009年12月18日向日本专利局提交的日本专利申请序列第2009- 288474号和在2009年12月25日向日本专利局提交的日本专利申请序列第2009-294790号， 其全部内容通过参照并入于此。
【主权项】
1. 一种半导体装置，包括： 存储器单元，包括： 第一晶体管，包括： 第一导电层； 第二导电层； 氧化物半导体层，电连接到所述第一导电层和所述第二导电层； 在所述第一导电层、所述第二导电层和所述氧化物半导体层之上的第一绝缘层；以及 在所述第一绝缘层之上的第三导电层，其中所述第三导电层和所述氧化物半导体层彼 此重叠;和 在所述第一绝缘层之上的第四导电层，其中所述第四导电层和所述第一导电层彼此重 叠， 其中所述氧化物半导体层包括铟和锌， 其中所述氧化物半导体层包括所述第一晶体管的沟道形成区域，以及 其中所述第一导电层和所述第四导电层彼此电绝缘以组成电容器。2. 如权利要求1所述的半导体装置， 其中所述第一导电层和所述第二导电层中的一个是源电极， 其中所述第一导电层和所述第二导电层中的另一个是漏电极，以及 其中所述第三导电层是栅电极。3. 如权利要求1所述的半导体装置，其中所述第一导电层、所述第一绝缘层和所述第四 导电层组成所述电容器。4. 如权利要求1所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体层进一步包括镓。5. 如权利要求1所述的半导体装置，其中所述第一导电层和所述第二导电层位于所述 氧化物半导体层之上。6. 如权利要求1所述的半导体装置，其中所述第三导电层和所述第四导电层平行设置。7. 如权利要求1所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体层具有小于1 X 1012 /cm3 的载流子密度。8. -种半导体装置，包括： 存储器单元，包括： 第二晶体管； 在所述第二晶体管之上并且包括开口的第二绝缘层； 第一晶体管，包括： 在所述第二绝缘层之上并且在所述开口中的第一导电层； 在所述第二绝缘层之上的第二导电层； 氧化物半导体层，电连接到所述第一导电层和所述第二导电层； 在所述第一导电层、所述第二导电层和所述氧化物半导体层之上的第一绝缘层；以及 在所述第一绝缘层之上的第三导电层，其中所述第三导电层和所述氧化物半导体层彼 此重叠;和 在所述第一绝缘层之上的第四导电层，其中所述第四导电层和所述第一导电层彼此重 叠， 其中所述第一导电层电连接到所述第二晶体管， 其中所述氧化物半导体层包括铟和锌， 其中所述氧化物半导体层包括所述第一晶体管的沟道形成区域，以及 其中所述第一导电层和所述第四导电层彼此电绝缘以组成电容器。9. 如权利要求8所述的半导体装置， 其中所述第一导电层和所述第二导电层中的一个是源电极， 其中所述第一导电层和所述第二导电层中的另一个是漏电极，以及 其中所述第三导电层是栅电极。10. 如权利要求8所述的半导体装置，其中所述第一导电层、所述第一绝缘层和所述第 四导电层组成所述电容器。11. 如权利要求8所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体层进一步包括镓。12. 如权利要求8所述的半导体装置，其中所述第一导电层和所述第二导电层位于所述 氧化物半导体层之上。13. 如权利要求8所述的半导体装置，其中所述第三导电层和所述第四导电层平行设 置。14. 如权利要求8所述的半导体装置，其中所述第一导电层电连接到所述第二晶体管的 栅极。15. 如权利要求8所述的半导体装置，其中所述第二晶体管的沟道形成区域设置在半导 体衬底中。16. 如权利要求8所述的半导体装置，进一步包括电连接所述第一导电层和所述第二晶 体管的栅极的第五导电层。17. 如权利要求8所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体层具有小于1 X 1012 /cm3 的载流子密度。18. 如权利要求8所述的半导体装置，包括各自包含所述存储器单元的多个存储器单 元， 其中所述多个存储器单元串联连接。19. 如权利要求8所述的半导体装置，包括各自包含所述存储器单元的多个存储器单 元， 其中所述多个存储器单元相互并联连接。20. -种半导体装置，包括： 第一晶体管； 第二晶体管;和 电容器， 其中所述第一晶体管的源极和漏极中的一个电连接到第一布线， 其中所述第一晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个电连接到第二布线， 其中所述第一晶体管的栅极电连接到所述第二晶体管的源极和漏极中的一个， 其中所述第一晶体管的所述栅极电连接到所述电容器的电极中的一个， 其中所述第二晶体管的所述源极和所述漏极中的另一个电连接到第三布线， 其中所述第二晶体管的第一栅极电连接到第四布线， 其中所述电容器的所述电极中的另一个电连接到第五布线， 其中所述第二晶体管的第二栅极电连接到第六布线，以及 其中所述第二晶体管包括氧化物半导体层，所述氧化物半导体层包括沟道形成区域。21. 如权利要求20所述的半导体装置，其中所述氧化物半导体层包括铟、镓和锌。22. 如权利要求20所述的半导体装置，其中所述第一晶体管的沟道形成区域由除了氧 化物半导体材料之外的材料形成。23. 如权利要求20的半导体装置，其中所述第一晶体管的沟道形成区域设置在半导体 衬底中。24. 如权利要求20所述的半导体装置，进一步包括在所述第一晶体管之上的绝缘层，其 中所述第二晶体管设置在所述绝缘层之上。25. 如权利要求24所述的半导体装置，其中所述电容器设置在所述绝缘层之上。26. 如权利要求20所述的半导体装置，其中所述第四布线和所述第六布线配置成供应 有相同电位。27. 如权利要求20所述的半导体装置，其中所述第四布线和所述第六布线配置成供应 有彼此不同的电位。
【专利摘要】提供：第一晶体管，包含沟道形成区域、第一栅极绝缘层、第一栅电极、以及第一源电极和第一漏电极；第二晶体管，包含氧化物半导体层、第二源电极和第二漏电极、第二栅极绝缘层、以及第二栅电极；以及电容器，包含第二源电极和第二漏电极中的一个、第二栅极绝缘层、以及提供为在第二栅极绝缘层之上与第二源电极和第二漏电极中的一个重叠的电极。第一栅电极以及第二源电极和第二漏电极中的一个彼此电连接。
【IPC分类】H01L27/115
【公开号】CN105655340
【申请号】
【发明人】山崎舜平, 小山润, 加藤清
【申请人】株式会社半导体能源研究所
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2010年11月19日